Синтез звука на основе физического моделирования

В отличие от синтеза звука на основе таблицы волн, где источником сигнала является оцифрованные образы звуков реальных музыкальных инструментов, хранящихся в памяти синтезатора, физическое моделирование предусматривает использование математических моделей звукообразования реальных музыкальных инструментов для генерации в цифровом виде соответствующих волновым форм, которые затем преобразуются в звуковой сигнал при помощи ЦАП.

Рассмотрим принцип синтеза звука путем физического моделирования на примере синтеза звука саксофона. Допустим, существует точное математическое описание явлений, происходящих в саксофоне. В качестве источника колебаний выступает трость. Звук усиливается и окрашивается в резонаторе, в качестве которого выступает изогнутая металлическая труба. Синтезатор рассчитывает изменения колебаний воздуха, которые возникают под влиянием движения трости саксофона. На основе полученных данных создается цифровой образ этих колебаний. Затем рассчитываются все изменения, происходящие со звуком в резонаторе и, в соответствии с результатами расчетов формируется цифровая модель звукового сигнала саксофона. Смоделированный цифровой звуковой сигнал преобразуется в электрические колебания с помощью ЦАП звуковой карты.

Фирма Yamaha (пионер в области физического моделирования) производит в настоящее время синтезаторы, имитирующие звучание духовых и струнных инструментов. С помощью этих синтезаторов можно экспериментировать в области формирования звука, комбинируя различные источники колебаний с различными резонаторами и обрабатывая получившийся звук все возможными фильтрами.

По принципу физического моделирования звука работают так называемые программные (виртуальные) синтезаторы. Необходимые расчеты звучания инструментов вместо аппаратного синтезатора звуковой карты выполняет CPU PC. Результат математического моделирования, т. е. поток цифровых данных – от виртуального синтезатора направляется в ЦАП звуковой карты.

Звуковые карты, использующие синтез звука на основе физического моделирования, пока не получили широкого распространения, поскольку для их работы требуется мощный PC.

Характеристики модуля синтезатора

Основными характеристиками модуля синтезатора звуковой системы являются:

* Метод синтеза звука;

* Объем памяти для хранения пат чей;

* Возможность аппаратной обработки сигнала для создания звуковых эффектов;

* Полифония - максимальное количество одновременно воспроизводимых элементарных звуков.

Примечание:

Полифония определяется числом генераторов синтезатора (реальных или виртуальных).

Метод синтеза

Метод синтеза, использующийся в звуковой системе PC, определяет не только качество звука, но и ее элементный состав. Заметим, что звуковая система PC может содержать несколько синтезаторов.

FM-синтезатор используется практически во всех недорогих звуковых картах. Качество звука при использовании FM - синтезатора получается достаточно приемлемым и в большинстве случаев способно удовлетворить запросы неискушенных пользователей. Для карт с FM-синтезаторами полифония обычно составляет 20 голосов. Звуковые эффекты не реализуются.

В случае WT-синтеза звук генерируется с высоким качеством. При этом звуковая подсистема должна содержать специальный WT-синтезатор.

Объем памяти

На звуковых картах с WT-синтезатором устанавливаются элементы памяти (ROM) для хранения банков с инструментами. Объем памяти WT-синтеза-тора может быть изменен за счет установки дополнительных модулей памяти (Рис. 4.1.9). Тип и количество элементов памяти (RAM или ROM) зависит от конкретной модели звуковой карты.

Рис. 4.1.9. Дополнительные модули памяти на звуковой карте с WT- синтезатором

Увеличив объем памяти, звуковой карты, вы можете загружать дополнительные банки инструментов, использовать более качественные патчи (большего объема), а также редактировать существующие или создавать новые. Большинство игр для PC используют набор стандартных инструментов (General MIDI) поэтому увеличение объема памяти отразится на качестве звукового сопровождения игры только в том случае, если эта игра использует собственные инструменты. А вот звучание MIDI-фаилов после загрузки нового банка инструментов может измениться кардинально – как в лучшую, так и в худшую сторону.

Звуковые эффекты

Для большинства карт с WT-синтезом эффекты реверберации и хоруса стали стандартными. При использовании временной задержки фазы или амплитуды сигнала можно получить и другие звуковые эффекты. Обработка исходного сигнала для создания эффекта в большинстве случаев осуществляется специальным эффект - процессором, который может являться самостоятельным элементом (микросхемой) или интегрироваться в состав WT-синте - затора.

В зависимости от уровня сложности обработки сигнала эффект-процессор по-разному создает звуковые эффекты: в одном случае применяется эффект с заранее заданными фиксированными параметрами, в другом – появляется возможность управлять параметрами эффекта, влияющими на тембровую окраску звука.

Различают общие, поканальные и поголосовые эффект - процессоры. Первые обрабатывают звук всех каналов синтезатора одновременно, вторые – звучание отдельных MIDI-каналов, третьи – звучание отдельных голосов синтезатора. Количество и типы эффектов, которые могут быть одновременно применены к различным каналам (голосам), зависит от мощности процессора. Сложные эффекты обычно не могут накладываться на несколько каналов одновременно. Многосекционные процессоры допускают разделение секций между каналами, позволяя задавать либо простые эффекты для многих каналов, либо сложные – для одного-двух. Эффект-процессор может также иметь отдельные секции для каждого голоса. В этом случае возможна регулировка глубины и параметров звукового эффекта каждого голоса отдельно.

Как правило, звуковые данные обрабатываются специализированными методами, требующими большого количества вычислений, что ведет к значительной загрузке CPU и снижению производительности PC в целом. Поэтому, часто для ускорения процессов обработки аудиоданных в состав звуковой системы может дополнительно входить цифровой сигнальный процессор (Digital Signal Processor, DSP). Ведущими производителями DSP являются такие известные фирмы, как Analog Devices (AD), Texas Instruments (TI), Motorola.

DSP – это специализированный быстродействующий RISC-процессор, используемый для сложной обработки сигналов (звука в том числе) в реальном времени. Он обрабатывает звуковые данные в сотни раз быстрее, чем процессоры общего назначения, поэтому для него не составляет никакого тру да, например, разложить поступающий звук на спектральные компоненты, "вырезать" мелодию нужного музыкального инструмента из фонограммы оркестра, выступить в роли эквалайзера, и т. п.

Так, анализируя спектр по ступающих моно фонических звуковых сигналов, DSP способен выделить звуки, характерные для какого-либо инструмента или группы инструментов, и разместить каждый инструмент в пространстве, тем самым, создавая на стоящий стереоэффект. Эффект-процессор может обрабатывать аудиотреки и MIDI-партии, причем и то и другое с поканальным управлением.

Главное достоинство современных DSP – возможность выполнять функции нескольких устройство звуковой системы одновременно, что позволяет отказаться от ее классической архитектуры. В настоящее время в продаже появились звуковые карты, WT-синтезатор, эффект-процессор и модуль оцифровки которых реализованы программно на базе мощного DSP.

Новая архитектура, прежде всего, увеличивает гибкость системы. Изменяя программу (операционную систему синтезатора), можно изменять структуру синтеза и возможности эффект - процессора. Если возникнет необходимость что-то модифицировать в синтезаторе, устранить ошибку или добавить новую функцию, достаточно переработать программу DSP, а при использовании классической архитектуры пришлось бы заменять микросхему или целиком звуковую карту.

Модуль микшера

Модуль микшера звуковой карты производит:

q Коммутацию (подключение/отключение) источников и приемников звуковых сигналов

q Регулирование уровня входных и выходных звуковых сигналов

q Микширование (смешивание) нескольких звуковых сигналов и регулирование уровня результирующего сигнала

Источники и приемники звукового сигнала соединяются с модулем микшера через внешние или внутренние разъемы. Внешние разъемы (Рис. 4.1.10) звуковой системы обычно находятся на задней панели корпуса системного блока:

q Joy stick/ MIDI – для подключения джойстика или MIDI-адаптера

q Mic in – для подключения микрофона

q Line In – линейный вход, для подключения любых источников звуковых сигналов

q Line Out – линейный выход, для подключения любых приемников звуковых сигналов

q Speaker – для подключения головных телефонов (наушников) или пассивной акустической системы

В канале воспроизведения звуковой системы может находиться выходной усилитель мощности, на вход которого поступает сигнал от микшера. Мощность усилителя обычно не превышает 4 Вт на каждый стереоканал. Выход усилителя мощности подключен к внешнему разъему Speaker.

Рис. 4.1.10. Внешние разъемы звуковой системы

На некоторых недорогих звуковых картах на один и тот же внешний разъем может выводиться либо сигнал линейного выхода, либо сигнал от усилителя, а выбор режима работы выхода (Line Out или Speaker) в этом случае осуществляется джамперами на звуковой карте.

Внешние устройства, подключаемые к звуковой карте, изображены на (Рис. 4.1.11).

Рис. 4.1.11. Подключение внешних устройств к звуковой карте

Внешние разъемы звуковой системы Line In, Line Out, Mic In, Speaker представляют собой гнезда (розетки) для стандартного штекерного концентрического соединителя { jack} диаметром 3,5 мм. Штекер может исполняться в двух вариантах: для монофонического (микрофон) или стереофонического (линейный вход и выход) сигнала.

В высококачественных звуковых системах могут использоваться широко распространенные в видеотехнике разъемы типа RCA. Этот разъем, иногда называемый "колокольчиком", представляет собой концентрический соединитель с диаметром центрального контакта 3,2 мм. Для передачи стереофонического сигнала используются два гнезда RCA.

Внутри системного блока звуковая система может быть оборудована дополнительными разъемами для подключения:

· Дочерних плат (Wave Table Connector)

· Цифровых звуковых устройств (S/PDIF)

· Привода CD-ROM

· Звукового выхода привода CD-ROM (CD Audio)

С помощью специального кабеля внутренний выход привода CD-ROM можно соединить со звуковой подсистемой PC (Рис. 4.1.12). В этом случае CD-ROM будет выступать в роли источника аналоговых звуковых сигналов и подключен к модулю микшера. Разъем CD Audio конструктивно может быть выполнен в одном из трех вариантов: Panasonic, Mitsumi, Sony. Назначение контактов разъема различается для каждого варианта исполнения, по этому при подключении кабеля следует проявить максимум внимания.

 

Рис. 4.1.12. Подключение привода CD-ROM к звуковой карте

Основные характеристики модуля микшера:

· Количество микшируемых сигналов в канале записи;

· Количество микшируемых сигналов в канале воспроизведения;

· Возможность регулирования уровня сигнала в каждом микшируемом канале;

· Возможность регулирования уровня суммарного сигнала;

· Выходная мощность усилителя;

· Наличие разъемов для подключения внешних и внутренних источников приемников звуковых сигналов;

Управление микшером осуществляется программно средствами Windows или с помощью программы-микшера, входящей в комплект программного обеспечения звуковой карты.